半导体激光器分类
激光器的种类及应用
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 • 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 • 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
激光切开的典型运用
1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个 轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完 成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在 奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、 SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高 温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或 特别资料的激光切开都获得了成功。
激光器等级分类标准
激光器等级分类标准
激光器的等级分类标准是根据激光器的功率、波长、辐射范围、辐射时间等参数来确定的。
国际标准化组织（ISO）和美国激光安全标准委员会（ANSI）制定了一套广泛应用的激光器等级分类标准，被称为“激光产品安全标准”。
根据这套标准，激光器等级分为以下几个级别：
1. 第一类激光器（Class 1）：无眼安全风险的低功率激光器，即使在长时间直接观察下也不会对人眼造成伤害。
2. 第二类激光器（Class 2）：低功率可见光激光器，对人眼有一定伤害风险，但由于人眼对瞬时光刺激有自我防御机制，所以在正常使用下不太可能造成损害。
这种激光器的输出功率限制在1毫瓦以下。
3. 第三类激光器（Class 3）：中等功率激光器，分为3A和3B 两个子类。
- 3A类激光器：输出功率不超过5毫瓦，对人眼有一定伤害风险，但在正常使用下不会造成严重损伤。
- 3B类激光器：输出功率在5毫瓦到500毫瓦之间，对人眼造成潜在危险，直视或近距离照射可能会引起眼睛损伤。
因此，对于3B类激光器的使用，需要采取一些特殊的安全措施来保护人眼。
4. 第四类激光器（Class 4）：高功率激光器，输出功率超过500毫瓦。
这类激光器对眼睛和皮肤都具有严重的伤害风险，甚至可以引起火灾和烧伤。
在使用和操作上，对于第四类激光器需要非常严
格的安全措施和专业技术支持。
需要注意的是，以上等级标准是一种国际通用标准，不同国家和地区可能还会有一些额外的标准和要求。
在使用激光器时，应该遵守相应的安全规范和操作指南，确保激光器的安全使用。
《激光原理》5-4半导体激光器
图(5-25) 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系
③在重掺杂P型半导体中，费米能级向下移到价带中，低于费米能级的能带被电子 填满，高于费米能级的能态都是空的，价带中出现空穴——P型简并半导体 (图c);
④在重掺杂N型半导体中，费米能级向上移到导带中，低于费米能级的能带被电子填 满，高于费米能级的能态都是空的，导带中也有自由电子——N型简并半导体 (图e);
满带：若能带中各个能级全部被电子填满，则称为满带。 非满带：若能带中只有一部分能级填入电子，则称为非满带。 空带：若能带中各个能级都没有电子填充，则称为空带。 价带：价电子的能级所分裂而形成的能带称为价带。 导带：空带和未被价电子填满的价带称为导带。
二、绝缘体、导体和半导体
1、绝缘体
导带（空带）
能带的特征：（1）只有满带和空带；（2）满 带和空带之间有较宽的禁带，禁带宽度一般大 于3eV。（约3～6 eV）
Si Si Si Si
Si Si
+ B
Si
N型半导体（电子型）：
四价元素Si，Ge，掺五价元 素P，Sb，Td
导带 施主能级
价带
五价原子将在代替四价元素的原子，多出的一个价电子只在杂质离子的电场
范围内运动。杂质原子称为施主原子，相应的杂质能级称为施主能级。量子
力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处, 极易形成电子
对于重掺杂的 GaAs P－N 结，在P－N 结的附近，导带中有电子而价带中有空穴， 这一小段区域称为“作用区”。如果电子从导带中向价带中跃迁，则将释放光子，并 在谐振腔的反馈作用下，产生受激辐射。当然，价带中的电子也可能在光子的激发下 跃迁到导带中，即所谓受激吸收，而要产生激光输出自然要求受激发射光子的速率大 于受激吸收光子的速率。
激光设备分类
激光设备分类激光设备是一类利用激光技术进行工作的设备，广泛应用于科研、医疗、工业、通信等领域。
根据不同的激光器类型和应用需求，激光设备可以分为多个不同的分类。
本文将介绍几种常见的激光设备分类。
一、气体激光器气体激光器是利用气体分子之间的能级跃迁来产生激光的设备。
根据不同的激光介质，气体激光器可以分为氦氖激光器、二氧化碳激光器、氖气激光器等。
其中，氦氖激光器是最早被发现和研究的气体激光器，主要用于科研、医疗和教学等领域；二氧化碳激光器在工业加工和医疗美容等领域有着广泛的应用。
二、固体激光器固体激光器是以固体晶体或玻璃为激活介质的激光器。
根据不同的激活介质和能级结构，固体激光器可以分为Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器、钛宝石激光器等。
这些固体激光器在工业加工、材料加工、激光打标等领域有着广泛的应用。
三、半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料的PN结构产生激光的设备。
由于其具有小体积、高效率、低成本的特点，半导体激光器在通信、显示、医疗、雷达等领域得到了广泛的应用。
常见的半导体激光器包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、量子级联激光器等。
四、光纤激光器光纤激光器是利用光纤作为激光输出通道的激光器。
由于光纤具有柔性、耐高温、小尺寸等特点，光纤激光器在通信、激光加工、医疗等领域具有广泛的应用前景。
光纤激光器主要包括光纤光源、光纤放大器和光纤激光器三个部分。
五、飞秒激光器飞秒激光器是一种具有极短脉冲宽度的激光器，脉冲宽度一般在飞秒（10^-15秒）量级。
由于其极短的脉冲宽度，飞秒激光器在材料加工、医疗、科研等领域有着广泛的应用。
飞秒激光器主要包括飞秒脉冲激光器和飞秒振荡器两种类型。
六、二极管激光器二极管激光器是一种利用半导体二极管工作的激光器，具有小体积、低功耗、长寿命等优点。
二极管激光器在光存储、激光打印、光通信等领域有着广泛的应用。
根据不同的工作方式和结构，二极管激光器可以分为连续工作二极管激光器和脉冲工作二极管激光器。
激光的分类及应用
激光的分类及应用激光是一种特殊的光源，具有高度的单色性、方向性和相干性。
根据其不同的特性和应用领域，激光可以被分为多个分类。
本文将介绍激光的分类及其在各个领域中的应用。
一、激光的分类1. 按激光器工作介质分类：- 气体激光器：利用气体放电产生激光，如二氧化碳激光器、氩离子激光器等。
- 固体激光器：利用固体材料产生激光，如Nd:YAG激光器、激光二极管等。
- 半导体激光器：利用半导体材料产生激光，如激光二极管、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等。
2. 按激光器工作方式分类：- 连续激光器：输出连续的激光束，适用于需要持续照射的应用，如激光切割、激光打标等。
- 脉冲激光器：输出脉冲形式的激光束，脉冲宽度通常在纳秒至皮秒级别，适用于高精度测量、激光医疗等领域。
3. 按激光波长分类：- 可见光激光器：波长在400-700纳米范围内，适用于显示技术、激光显示器等。
- 红外激光器：波长在700纳米以上，适用于通信、遥感、红外热成像等领域。
- 紫外激光器：波长在400纳米以下，适用于光刻、荧光光谱分析等领域。
二、激光的应用1. 工业应用：- 激光切割：利用高能激光束对材料进行切割，广泛应用于金属加工、纺织品切割等领域。
- 激光焊接：通过激光束的热作用将材料焊接在一起，具有高精度和高效率，适用于汽车制造、电子组装等行业。
- 激光打标：利用激光束对物体表面进行刻印或标记，应用于产品标识、防伪标记等领域。
2. 医疗应用：- 激光手术：利用激光束对组织进行切割、烧灼或凝固，广泛应用于眼科手术、皮肤整形等。
- 激光治疗：利用激光的生物刺激效应促进组织修复和再生，适用于疤痕修复、疼痛治疗等。
3. 通信应用：- 光纤通信：利用激光器将信息转换为光信号进行传输，具有高速、大容量的优势，是现代通信的重要技术。
- 激光雷达：利用激光束进行距离测量和目标探测，广泛应用于无人驾驶、环境监测等领域。
4. 科学研究：- 光谱分析：利用激光的单色性和相干性进行物质的光谱分析，广泛应用于化学、生物学等领域。
【半导体物理 精】半导体激光器
半导体激光器
• 半导体激光器是以半导体材料(主要是化合物半导体)作为工作物 质,以电流注入作为激励方式的一种激光器，又称半导体激光二极 管 （LD）
构成全固态激光系统。 • 10)高清晰度激光电视不久的将来,没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场,它利
用红、蓝、绿三色激光,估计其耗电量比现有的电视机低20%。
在医疗和生命科学研究方面的应用
• 1)激光手术治疗半导体激光已经用于软组织切除,组织接合、凝固和汽化。普通外科、 整形外科、皮肤科、泌尿科、妇产科等,均广泛地采用了这项技术。
自发光辐射和受激光辐射
• 自发光辐射（1）电子不受任何外界的作用而自发地从高能态E2 向 低能态E1跃迁并发射一个能量为（E2-E1）的光子，这些光子位相 和传播方向各不相同。（2）当给器件加正向偏压时，n区向p区注 入电子，p区向n区注入空穴，在结合区电子和空穴自发地复合形 成电子-空穴对，将多余的能量以光子的形式释放出来，所发射的 光子相位和方向各不相同，这种辐射叫做自发辐射。
受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概 率)相等。
如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰 减， 这种物质称为吸收物质。
如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作 用，这种物质称为激活物质。
N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转 分布。
半导体激光器国家标准(二)
半导体激光器国家标准（二）3.1.32 远场光强分布Far field intensity distribution在距离远远大于激光光源瑞利长度的接收面上得到的光强分布。
3.1.33 近场光强分布Near field intensity distribution激光器在输出腔面（AR面）上的光强分布。
3.1.34 近场非线性Near field non-linearity热应力引起半导体激光器阵列或巴条中各个发光单元在垂直p-n结的方向上发生的位移，导致激光器阵列或巴条近场各个发光单元不在一条直线上，又称为"smile"效应。
3.1.35 偏振Polarization半导体激光器是利用光波导效应将光场限制在有源区内，使光波沿着有源区层传播，并通过腔面输出，半导体激光器的偏振特性与电场和磁场两个空间变量有关，对于横向电场（TE）偏振光，只存在（Ey，Hx，Hz）三个分量，对于横向磁场（TM）偏振光，只存在（Ex，Ez，Hy）三个分量。
半导体激光器偏振特性优劣通常用偏振度来表征，偏振度为两种偏振态的光功率差与光功率和的比值，通常以百分比表示。
3.1.36 热阻Thermal resistance热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，激光器产生1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。
3.1.37 波长-温度漂移Wavelength-temperature shift半导体激光器稳定工作时，结温每升高1℃所引起的波长变化，单位是nm/K。
3.1.38 斜率效率Slope efficiency激光器额定光功率的10％和90％对应的光功率差值△P与相应工作电流的差值△I的比值称为斜率效率。
3.1.39 光功率-电流曲线扭折Optical power-current curve kink光功率-电流曲线上出现的非线性变化的拐点。
扭折表征了光功率与工作电流的线性关系的优劣。
主要激光的分类
主要激光的分类激光（Laser）是一种集中能量的光束，具有单色性、相干性和高亮度等特点，因此在现代科技中得到了广泛应用。
根据激光的工作原理和应用领域的不同，可以将激光分为几个主要的分类。
一、气体激光器气体激光器是一种利用气体放电产生激光的装置，常见的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器、氦氖激光器等。
其中，二氧化碳激光器是最常用的气体激光器之一，其工作介质为CO2气体，发射波长为10.6微米，广泛应用于材料加工、医疗美容等领域。
二、固体激光器固体激光器是利用固体材料通过受激辐射产生激光的装置，常见的固体激光器有钕玻璃激光器、掺铬锆石激光器等。
钕玻璃激光器是最常用的固体激光器之一，其工作介质为掺杂了钕离子的玻璃，发射波长为1.06微米，广泛应用于激光打标、激光切割等领域。
三、半导体激光器半导体激光器是利用半导体材料产生激光的装置，常见的半导体激光器有半导体激光二极管、垂直共振腔面发射激光器等。
半导体激光二极管是最常用的半导体激光器之一，其工作介质为半导体材料，发射波长范围广泛，从红光到紫外线都有应用。
四、光纤激光器光纤激光器是利用光纤作为激光的传输介质的装置，常见的光纤激光器有光纤激光器、光纤激光放大器等。
光纤激光器具有体积小、能耗低、光束质量好等优点，广泛应用于通信、材料加工等领域。
五、自由电子激光器自由电子激光器是利用自由电子束产生激光的装置，常见的自由电子激光器有自由电子激光器、自由电子自放大激光器等。
自由电子激光器具有波长范围广、激光功率大等优点，广泛应用于科学研究、医学诊断等领域。
总结在现代科技中，激光的应用越来越广泛，不同类型的激光器在各自的领域发挥着重要作用。
气体激光器适用于高功率、大面积的应用；固体激光器适用于高精度、高稳定性的应用；半导体激光器适用于小型、低功率的应用；光纤激光器适用于远距离传输的应用；自由电子激光器适用于大功率、宽波长范围的应用。
不同类型的激光器相互补充，共同推动了激光技术的发展。
半导体激光器封装技术及封装形式
半导体激光器封装技术及封装形式半导体激光器的概念半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。
常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。
激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。
半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。
同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。
半导体激光器的工作原理半导体激光器是依靠注入载流子工作的，发射激光必须具备三个基本条件：（1）要产生足够的粒子数反转分布，即高能态粒子数足够的大于处于低能态的粒子数；（2）有一个合适的谐振腔能够起到反馈作用，使受激辐射光子增生，从而产生激光震荡；（3）要满足一定的阀值条件，以使光子增益等于或大于光子的损耗。
半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。
半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。
半导体激光器的封装技术一般情况下，半导体激光器的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。
另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温附近，温度每升高1℃，半导体激光器的发光强度会相应地减少1%左右，封装散热；时保持色纯度与发光强度非常重要，以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，多数半导体激光器的驱动电流限制在20mA左右。
但是，半导体激光器的光输出会随电流的增大而增加，很多功率型半导体激光器的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级，需要改进封装结构，全新的半导体激光器封装设计理念和低热阻封装结构及技术，改善热特性。
例如，采用大面积芯片倒装结构，选用导。
半导体激光器原理及结构设计1
➢相干性好
➢ 高亮度 由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通 光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。
子数Ne大于吸收的光子数Na。在热平衡状态被破坏的情况下，要引入导带
准费米能级EFn和价带准费米能级EFp：
1 fc(E)e(EEFn)/kBT1
fv(E)e(EEFp1)/kBT 1
进一步推导得到，为了实现电子数分布反转，则要求：
EFn- EFp> Ec- Ev= Eg
振荡放大过程
尽管开始时多个方向的波都 有，但终究有少量方向、频率、 相位与腔体所能容许的光波完全 一致，这一部分光波就会发生干 涉而加强，所对应的光子在腔内 共振，出现正反馈，使自发发射 过程转变为受激发射的过程。
激光介质的基本工作模式
激活介质的四能级系统：如上图（b）所示，E0为基态， E1 、E2 和E3为激发态，其中E2为亚稳态，E1和E3能级寿命很短。在泵浦作 用下，基态粒子被“抽运”到激发态E3上，E3态粒子极快地无辐射 跃迁到了亚稳态E2 能级，同时E1能级寿命也很短，其上粒子也极快 跃迁到了基态。而E2 态相对稳定，粒子寿命较长，因此很容易在E2 能级和E1能级间形成粒子数反转。
器件结构
解理面
P-N结
基本结构：pn结+谐振腔（抛光镜面或解理面围成的有源区）
实现激光输出必须满足的条件
电子的分布反转 振荡放大、有增益
电子数分布反转
在热平衡条件下，电子处于能量为E的状 态的几率f(E)由费米—狄拉克分热平衡条件下，电子基本处于价带，而导带几乎是空的。
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半导体激光器分类
1. 引言
半导体激光器是一种将电能转换为激光辐射的装置。
它在现代科技中有着广泛的应用，如通信、医疗、材料加工等领域。
半导体激光器的种类繁多，不同类型的激光器具有不同的特性和应用场景。
本文将对半导体激光器进行分类，并介绍每一类激光器的原理、特点以及应用。
2. 分类方法
根据不同的特性和工作原理，可以将半导体激光器分为以下几类：
2.1 按材料分类
•GaAs（镓砷化镓）激光器：利用GaAs材料制成的半导体激光器，常见于通信领域；
•InP（磷化铟）激光器：利用InP材料制成的半导体激光器，在高速通信和生物医学领域有广泛应用；
•GaN（氮化镓）激光器：利用GaN材料制成的半导体激光器，具有高功率和高效率的特点，适用于照明和显示等领域。
2.2 按工作方式分类
•可见光激光器：产生可见光的半导体激光器，常见的有红光、绿光和蓝光激光器；
•红外激光器：产生红外线的半导体激光器，广泛应用于通信、遥感和材料加工等领域；
•紫外激光器：产生紫外线的半导体激光器，在生物医学、材料加工和科学研究中有重要应用。
2.3 按结构分类
•Fabry-Perot（FP）激光器：最简单的结构，由两个反射镜组成，适用于一般性应用；
•Distributed Feedback（DFB）激光器：在FP结构基础上引入了周期性衍射栅，具有单模输出特性，常用于通信系统；
•Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser（VCSEL）激光器：垂直腔面发射激光器，在通信和传感领域得到广泛应用。
3. 激光器原理及特点
3.1 GaAs激光器
GaAs激光器以GaAs材料为基底，通过电子与空穴的复合辐射发出激光。
它具有结构简单、工作稳定、功耗低等特点。
由于其较低的能隙，主要适用于红外通信和光存储领域。
3.2 InP激光器
InP激光器是一种高性能的半导体激光器，具有较高的输出功率和调制带宽。
它常用于高速通信、生物医学成像等领域。
由于InP材料的能隙较大，可以在可见光和近红外区域产生激光。
3.3 GaN激光器
GaN激光器是一种新型的半导体激光器，具有高效率、高功率和长寿命等特点。
它在照明、显示和生物医学领域有广泛应用。
GaN材料的能隙较大，可以产生蓝色和绿色激光。
3.4 可见光激光器
可见光激光器可以产生红色、绿色和蓝色等可见光。
红光激光器常用于激光打印、激光显示等领域；绿光激光器适用于显示、照明和生物医学成像等应用；蓝光激光器在高密度存储和高清晰显示中有重要作用。
3.5 红外激光器
红外激光器在通信、遥感和材料加工等领域有广泛应用。
它可以产生红外线，具有较高的波长和能量。
红外激光器的工作波长范围广，可根据不同需求选择合适的波长。
3.6 紫外激光器
紫外激光器在生物医学、材料加工和科学研究中有重要应用。
它可以产生紫外线，具有较短的波长和高能量。
紫外激光器的制造技术相对复杂，但其在一些特定领域具有独特优势。
3.7 FP激光器
FP激光器是最简单的结构，由两个反射镜组成。
它具有较宽的谱线宽度和较高的输出功率，适用于一般性应用。
FP激光器的制造工艺相对简单，成本较低。
3.8 DFB激光器
DFB激光器在FP结构基础上引入了周期性衍射栅，具有单模输出特性。
它在通信系统中得到广泛应用，可以实现高速、高效的数据传输。
3.9 VCSEL激光器
VCSEL激光器是一种垂直腔面发射激光器，具有较低的阈值电流和较好的方向性。
它在通信和传感领域得到广泛应用，可以实现高速、大容量的数据传输。
4. 应用领域
半导体激光器在众多领域中发挥着重要作用，包括但不限于以下几个方面：
•通信：半导体激光器是现代通信系统中不可或缺的组件，用于数据传输和网络连接。
•医疗：半导体激光器在医学成像、手术治疗和健康监测等方面有广泛应用。
•材料加工：半导体激光器可以进行切割、焊接、打孔等材料加工操作。
•显示技术：半导体激光器在显示器、投影仪和激光电视等领域有重要应用。
•照明：半导体激光器具有高亮度和节能的特点，可用于照明和照明显示。
5. 结论
半导体激光器是一种重要的光电器件，具有广泛的应用前景。
通过对半导体激光器的分类及其原理、特点和应用的介绍，我们可以更好地了解不同类型的激光器，并为相关领域的研究和开发提供指导。
未来，随着科技的进步和需求的增加，半导体激光器将会得到更广泛和深入的应用。